Nye kvanteteknologiske metoder skal gøre det lettere at forstå, hvordan hjernen arbejder.
Ny kvanteteknologi gør det muligt at måle meget finere og mindre magnetiske signaler i det menneskelige væv, end man tidligere har kunnet. Forklaringen ligger i en lille diamant-sensor – en kunstigt fremstillet diamant med en indbygget defekt, som gør det muligt at udnytte et af grundelementerne i kvantefysikken: superpositioner. Superposition betyder, at en partikel kan være i to forskellige tilstande samtidig, fx at en elektrons spin kan vende både op og ned på en gang. Dermed kan opnås målinger på atomart niveau i menneskeligt væv med en hidtil uset præcision.
”Vi kan i dag måle aktivitet fx fra hjertet ved hjælp af elektriske signaler. Det sker fx med EKG, hvor vi måler signaler fra de forskellige steder i kroppen, hvor elektroderne er fastgjort. Men vi ved ikke, hvad der sker undervejs mellem to elektroder, mellem hjertet og foden fx. Det kan vi måle med magnetiske felter, der ikke på samme måde som de elektriske signaler bliver forstyrret af mødet med væv, blod og knogler”, forklarer lektor Alexander Huck, DTU Fysik.
Elektroner vender både op og ned på samme tid
De magnetiske felter måles ved hjælp af en kvanteteknologisk metode, der tager udgangspunkt i, at diamantsensorens elektroner kan være i både spin-op og spin-ned tilstande samtidig. Ligesom en snurretop, så vil elektronernes spin-retning også foretage en periodisk præcession - ”slingre” - og frekvensen af dens bevægelse er følsom overfor magnetiske felter. Det er den kobling der gør det muligt at måle magnetfelter i menneskeligt væv ved hjælp af diamantsensorer. Elektronerne indgår derudover i et elektron-spin, som er underlagt periodiske ændringer, ligesom vi kender det fra jorden, der drejer rundt om sig selv og samtidig forskyder sin akse. Det spin er følsomt overfor magnetiske felter i omverdenen, hvilket gør det muligt at måle magnetfelterne i menneskeligt væv.
”Særligt i forhold til hjernens signaler vil det være væsentligt at få indsigt i, hvad der sker undervejs i signalets bevægelse fra et sted til et andet. Når vi har den viden, vil det også være muligt at udvikle medikamenter, der enten kan stimulere eller blokere signalerne i hjernen og dermed bidrage til at dæmpe eller helt fjerne symptomerne ved hjernerelaterede sygdomme som Alzheimer”.
Stor betydning for medicinsk behandling
I samarbejde med Hvidovre Hospital og KU er Alexander Huck og hans forskerhold i øjeblikket ved at foretage de første forsøg på at måle hjerneaktivitet med diamantsensorer. Det sker ved målinger i nervebanerne på en hjerneskive fra en rotte.
”Det er komplicerede forsøg, da vi kun kan holde hjernen levende i et par timer. Derudover skal vi sikre os, at de signaler, vi måler, er valide og stammer fra hjernen og ikke fra andre elementer i nærheden, fx en person, der går forbi med en tændt mobiltelefon. Derfor har vi brug for at verificere ved hjælp af kontrolmålinger med andre metoder, fx elektroder og elektriske signaler, at vores resultater er valide”.
Alexander Huck påpeger, at der er mange fordele ved at gennemføre målinger med diamantsensorer. Sensoren, der ikke har form som en diamant, men ligner en lille glasplade på 2 x 2 mm, er for det første meget robust. For det andet er diamanterne på ingen måde farlige eller giftige og påvirker dermed ikke det menneskelige væv ved brug til målinger.
Også samarbejdspartneren på Hvidovre Hospital er tilfreds.
"Der et stykke vej endnu, før vi kan offentliggøre de første resultater af målinger i hjernen. Men allerede i løbet af de næste par år vil vi være i stand til at bruge teknikken i kræftbehandlingen"
Alexander Huck, lektor på DTU Fysik
”Jeg arbejder til daglig med MR scanning og er meget imponeret over de resultater, der så hurtigt er opnået. Mange andre metoder til at måle hjerneaktivitet er begrænset af, at vi kun ser få aspekter – men med diamantsensoren kan vi se alle neuroner samtidig, det er som at se en film af hjerneaktiviteten i meget høj opløsning” siger seniorforsker Axel Thielscher, der er lektor på DTU Elektro og seniorforsker på Hvidovre Hospital.
Første anvendelse vil være i kræftbehandling
”Der et stykke vej endnu, før vi kan offentliggøre de første resultater af målinger i hjernen. Men allerede i løbet af de næste par år vil vi være i stand til at bruge teknikken i kræftbehandlingen. Diamantsensorer er i stand til at skelne de enkelte celler og dermed konstatere, om alle kræftceller i et behandlet område er slået ihjel, eller om der fortsat er levende kræftceller tilbage, der kan sprede sig til resten af kroppen. Det bliver det første kæmpe skridt med den nye diamantsensor-teknik, og når vi kommer lidt længere, vil den også få en afgørende betydning for indsatsen mod sygdomme i hjernen som eksempelvis Alzheimer”, siger Alexander Huck.
Håbet er ikke kun at bidrage med væsentlige målinger til brug på sundhedsområdet, men at også andre brancher vil kunne se en fordel ved at anvende den nye teknologi og dens mulighed for at kunne gennemføre meget præcise målinger på meget lille skala.
”Interesserede er altid velkomne til at henvende sig, så vi kan få en snak om, hvilke muligheder, målinger med diamantsensorerne åbner”, slutter Alexander Huck.
Forskningsprogrammet er finansieret af Innovationsfonden og bliver koordineret af professor Ulrik Lund Andersen, DTU Fysik.
Læs mere på quantum.dtu.dk